1

2

MÔ PHỎNG VÀ PHÂN GIẢI PHA PHỔ QUANG - PHẢN XẠ CỦA BÁN DẪN InP

VÀ CẤU TRÚC ĐA LỚP DỊ THỂAlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

3

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

Quang phản xạ (Photoreflectance PR)(Photoreflectance PR)

Hiệu ứng Franz-Keldysh

Sai hỏng bề mặt – mức Tamm

Phổ học biến điệu (Modulation Spectroscopy) và phương pháp quang phản xạ

Mô phỏng và phân giải pha phổ quang phản xạ của InP

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

Thành phần Eciton

Phổ PR đa thành phần

Phân giải pha từ phổ PR

Phân giải phổ PR từ thực nghiệm

Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể

So sánh với các kêt quả thực nghiệm

Vấn đề tồn tại

4

Hiệu ứng Franz-Keldysh

gE

gE gE qFz

0F ��������������

cE

vE

0F ��������������

cE

vE

qFz

iE

Phổ hấp thu

Phổ hấp thu (phản xạ) khi có điệntrường sẽ dịch chuyển về phía vùng năng lượng thấp

5

Sai hỏng bề mặt – Mức Tamm

Lý tưởng: không có trạng thái mặt ngoài

Tại bề mặt: - Tính tuần hoàn bị gián đoạn (mức Tamm)- Hấp thu nguyên tử lạ, sai hỏng mạng (mức khác)

Bán dẫn pha tạp

Bắt electron

Bắt lỗ trống

Trạng thái bề mặt

Điện trường bề mặt

Cong lên (n)

Cong xuống (p)

Dải năng lượng mặt ngoài bị uốn cong lên ở bán dẫn loại n

6

Phổ học biến điệu (Modulation Spectroscopy)

Những phép đo quang với cùng tính chất giống nhau là:

R, T

Biến điệu

Biến điệu ngoài Biến điệu trong

- Điện phản xạ (Electroreflectance-ER)- Quang phản xạ (Photoreflectance-PL)- Từ phản xạ (Magnetoreflectance_MR)- Pizo phản xạ (Piezoreflectance)- Nhiệt phản xạ (Thermoreflectance)

- Biến điệu độ dài bước sóng tia tới- Biến điệu sự phân cực ánh sáng tới- Thay đổi vị trí trên mẫu… … … …

SampleR, T

7

Phương pháp quang phản xạ

Seraphin và Bottka Hiệu ứng Franz-Keldysh

on off

off

R - RΔR=

R R21

ssR

R

Laser offLaser on

cE

FE

vE

8

Hệ đo quang phản xạ

9

Hệ đo quang phản xạ

Nước cất

Nước cất

dd HCl 2%

Axeton loãng

Làm khô

Hữu cơ lạ

Vô cơ lạ

Xử lý mẫu

Hình 7: Xử lý mẫu

10

Mô phỏng phổ quang phản xạ

11

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

là cac hệ sô Seraphin. ,s s

2 2

s

2 2

s

22 2 2 2 2 2

2n n -3k -1α =

c2k 3n - k -1

β =c

c = n + k n + k + 2k - 2n +1

InP

s

s

( )E eV

GaAs

s

s

( )E eV

Seraphin và Bottka

21

ssR

R

1

1

R

Rs2

1

R

Rs

12

1/ 2

1 2

1/ 2

2 2

constE G x

E

constE F x

E

3/ 2 1/ 23 / 22

( )ge Econst eV

Eg Ex

2 / 32

1/ 32 2 2

8

q F

* *

1 1 1

e hm m

1/ 2' 2 2

' ' 1/ 2

F x Ai x xAi x x U x

G x Ai x B i x xAi x Bi x x U x

21, Là sự biến thiên của hằng số điện môi phức 21 i

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

/ 30 0 0 0 0'( , ') '( , ') 2 [ '( ) '( ) ( ) ( )]iF x iG x e Ai z Ai Ai z Ai

1/ 2 1/ 22 2 1/ 2 2 2 1/ 2( ' ) ( ' )

2 2

x x x xi

3/2exp

'

00

0

iz

ixz

'

13

( )F x

( )G x

x

-10 -7.5 -5 -2.5 2.5 5

-0.4

-0.2

0.2

0.4

Z

Ai(Z)Smaller period

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

3/ 2

3 / 22

1 4exp cos

3

E EgR E EgE

R E E Eg

Công thức thực nghiệm của Aspnes và Studna

14

Ảnh hưởng của điện trường bề mặt

6 1g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 0meV

1.0 sF

0.7 sF

0.5 sF

0.2 sF

R

R

E (eV)

Phổ PR của InP với điện trường bề mặt khac nhausF Chu kỳ

Biên độ

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

3/ 2

3/ 22

1 4exp cos

3

E EgR E EgE

R E E Eg

1/ 32 2 2

8

q F

sF

0del

Điện trường bề mặt bất biến theo độ sâu

Mô hình lý tưởng

15

3/ 2

3/ 22

1 4exp cos

3

E EgR E EgE

R E E Eg

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

6 11.344 , 4 10g sE eV F Vm Phỏ PR của InP với thông sô giãn nở khac nhau

R

R

' 0

' 0.1

' 0.2

' 0.5

Ảnh hưởng của hệ sô giãn nở

E (eV)

Biên độ

Chu kỳ: không đổi

16

3/ 2

3/ 22

1 4exp cos

3

E EgR E EgE

R E E Eg

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

Tính Fs và độ cong vùng năng lượng

Có cực trị

3/ 24

3n gE E

n

3/ 2 3 / 2 3 / 24

3 n gE E n

3/ 24

3

n gE E

1 2 3 n

Hệ sô góc

3/1

222

2

sF

e

2 2

0

02 2s ss

b

F Qe

n n

17

Mô hình đa lớp

eldv d / j

el v el

v s

d d d

F F

v v vN N F 0,E N F ,E

1v 2v 2v 1vv

2 2

n k i n kN

2 n k

v vv 1v 1

v vv 1

f r exp 2ir

1 f r exp 2i

v vv vv

d d2 N N 2 N

v 1 vv 1

v 1 v

N Nf

2N N N

2j

jj

Nr

N N

L 1 v1L0

L v1L 1

N - N+ΔN N -Nf = =

N +NN + N+ΔN

2

0 0

0

r Re RRE

R Re R

2

L0

L

N NR

N N

1LN

sF

deldv0 z

Mô hình đa lớp

Mô phỏng phổ PR

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

18

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

sF

deldv0 z

A

S = Fs.del

Hiệu thế vùng điện trường bề mặt

Điện trường Đơn lớp

Điện trường Đa lớp

R

R

E (eV)

Đơn lớp

Đa lớp

So sanh giữa mô hình đa lớp và đơn lớp6 1

gE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 11.35meV 6 1

gE 1.344eV ,F 4 10 Vm , j 100,del 100 nm, 11.35meV

19

Thành phần dao động Franz-Keldysh (FKO)

R

R

E (eV)

del 100nm

del 50nm

del 20nm

del 10nm

6 1g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 11.35meV ,dv 2nm

Phổ PR của InP khi độ dày vùng điện trường bề mặt thay đổi

del Chu kỳBiên độ

Điện trường bề mặt với độ sâu khac nhau

sF

2del0 z1del

20

Thành phần dao động Exiton

exc

n

excn EEarcn

EECE

R

Rcot.cos.1.

2/

2

2

1.338excE eV

1.340excE eV

1.342excE eV

R

R

E (eV)

011meV , 120

Dạng phổ Eciton của InP với năng lượng Eciton thay đổi

excE Phổ dịch chuyển về phía năng lượng cao

Phổ Eciton với năng lượng Eciton thay đổi:

21

Phổ PR đa thành phần

FKO EXC

R R R

R R R

n

jj 1

R R

R R

Phổ PR là phổ tổng hợp của cac thành phần phổ riêng lẻ

Phổ tổng hợp

FKO

Eciton

R

R

E (eV)Phổ PR đa thành phần

22

Phân giải pha phổ PR đa thành phần

n

js s j2 2

j 1 j

RR 2E,F , , E,F 1 i

R R 1

j jtan( ) Góc trễ pha của từng thành phần

n

jjj 1

n

jjj 1

RX E E cos

R

RY E E sin

R

(2.4.2)

'y

'x

Y

X

y

x

'Y

'X

Laser

PR

(2.4.1)

Có sự trễ pha trong phổ PR giữa tín hiệu PR và tín hiệu laser

Phổ PR thu được trên hai kênh của lock-in

Thực nghiệm

23

Phân giải pha phổ PR đa thành phần

6 0 0g s elE 1.412eV ,F 3.44 10 V / m, 12meV ,d 100nm, j 100, 45 , 3.9

Phổ PR của GaAs một thành phần

R

R

E (eV)

Hai kênh X,Y thu được từ lock-in

R

R

E (eV)

RX E E cos

RR

Y E E sinR

Phân giải pha

j = 1

n

jjj 1

n

jjj 1

RX E E cos

R

RY E E sin

R

X

Y

FKO

Phổ PR 1 thành phần

24

Phân giải pha phổ PR đa thành phần

RX

R

RY

R

048.9

Giản đồ pha 2D trên hai kênh X,Y

Giản đồ pha 2D truyền thông

Giản đồ pha 2D phổ PR một thành phần có dạng tuyến tính

Xây dựng giản đồ pha 3D

25

Phân giải pha phổ PR đa thành phần

RX

R

RY

R

E eV

048.9

giản đồ pha 3D hai kênh X, Y, và trục E

RX E E cos

RR

Y E E sinR

2 2RE X E Y E

R

Giản đồ pha 3D

Cơ sở phân giải pha phổ PR đa thành phần

Phổ PR trên giản đồ phanằm trên một mặt phẳng

(2.4.1)

26

Phân giải pha phổ PR đa thành phần

Phổ PR 2 thành phần của InP6 0 , 0

g s elFKO : E 1.344eV ,F 4 10 , 11.35meV ,d 100nm,sl 100, 0 60 : . , , ,0 0

excEciton E 1 34eV 11meV 0 30

E (eV)

R

R

Phổ PR trên 2 kênh X, Y

R

R

E (eV)

1,2 1,2

1,2 1,2

RX E E cos

RR

Y E E sinR

j = 2

n

jjj 1

n

jjj 1

RX E E cos

R

RY E E sin

R

X

YEciton

FKO

Tổng hợp

Phổ PR 2 thành phần

27

Phân giải pha phổ PR đa thành phần

( )R

YR

( )R

XR

H25 Giản đồ pha 2D hai kênh X, Y

Giản đồ pha 2D truyền thông

Giản đồ pha 2D có dạng đường cong

Giản đồ pha 3D: hai kênh X, Y và E

( )R

XR

( )R

YR

( )E eV

A B

C F

O

D

28

Phân giải pha phổ PR đa thành phần

Giản đồ pha 3D: hai kênh X, Y và E

( )R

XR

( )R

YR

( )E eV

A B

C F

O

D

Phương pháp xác định các thành phần trong phổ PR

Xac đinh mặt phẳng dao động chính (ABC)

Mặt phẳng dao động FKO

Tại lân cận năng lượng vùng cấm (BDF). Nếu đỉnh (D) bị lệch khỏi mặt phẳng chính.

Có mặt thành phần Eciton

Cac thành phần khac xac định tương tự như thành phần Eciton

29

Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm

1) Tach vùng phổ chỉ gồm thành phần FKO

R

R

E (eV)

Phần tach ra

30

Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm

2) Sử dụng mô hình đa lớp, hiệu chỉnh thành phần dao động Franz-Keldysh trên vùng phổ vừa tach ra.

R

R

E (eV)

Tính điện trường và cac thông sô bề mặt

31

Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm

3) Tiến hành trừ phổ (phổ tổng hợp và phổ FKO hiệu chỉnh), tach thành phần FKO trong phổ tổng hợp

R

R

E (eV)

32

Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm

4) Hiệu chỉnh Eciton đôi với phần phổ vừa trừ ra

R

R

E (eV)

33

Phân giải phổ PR đa thành phần từ thực nghiệm

5) Cộng hai thành phần hiệu chỉnh ta được phổ PR tổng hợp hiệu chỉnh

Phổ thực nghiệm

Phổ hiệu chỉnh

R

R

E (eV)

34

Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể

AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

LASER632.8nm

Ga1-xAlxAs

GaAs:Si (Subtract)

GaAs

0.3m

0.05m

1 2 3

Hình 8: Mô hình cấu trúc đa lớp dị thể của mẫu đo Ga0.95Al0.05As/GaAs/GaAs:Si.

Bề mặt A (GaAlAs/Air)

Bề mặt B (GaAlAs/GaAs)

Bề mặt C (GaAs/GaAs:Si)

35

Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể

AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

Sơ đồ các dịch chuyển hấp thu và bức xạ khi chiếu laser lên mẫu bán dẫn đa lớp dị thể Ga1-xAlxAs/GaAs/GaAs:Si.

1

23

GaAs:Si(p+)

GaAs(p-)

Ga1-xAlxAs(n)

EC

EV

EF

Air

36

Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể

AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

Phổ PR là phổ tổng hợp của 3 phổ

s

R

R

Phổ PR của AlxGa1-xAs tại bề mặt

1i

R

R

Phổ PR của AlxGa1-xAs tại lớp tiếp xúc

2i

R

R

Phổ PR của GaAs tại lớp tiếp xúc

Xét trường hợp x = 0.05

6sF 3 10 V / m

eld 1.242nm

6txF 2 10 V / m pW 0.992 nmnW 108.69nm

A: đặc trưng cho sự hấp thu

1 2s i i

R R R RA

R R R R

BỀ MẶT

LỚP TIẾP XÚC

MÔ PHỎNG

37

Phổ PR của cấu trúc đa lớp dị thể

AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

R

R

E (eV)

0.05 0.95 / n Al Ga As p GaAs

6 6s txF 3 10 V / m; F 2 10 V / m; j=30

Phổ PR của

38

So sánh với phổ thực nghiệm của InP

Phổ PR của InP thu được trên 2 kênh của lock-in tại phòng thí nghiệm Quang –

quang phổ, ĐH KHTN [5]

E (eV)

R

R

X

Y

81.3411.36

21.37

91.34 21.36

11.37

6sF 1 10 V / m

3gE 1.348eV, 7.5 10 meV

Làm khớp giữa phổ thực nghiệm và lý thuyết của InP

E (eV)

R

R

Lý thuyết

Thực nghiệm

6sF 1.5 10 V / m

X

39

So sánh với phổ thực nghiệm của

AlxGa1-xAs (n)/GaAs (p)

Phổ PR của Al0.05Ga0.95As (n+)/GaAs (p-) so sanh giữa thực nghiệm và lý thuyết

E (eV)

R

R

Thực nghiệm Lý thuyết

Thực nghiệm

3: 1.42gGaAs E eV

0.047 0.953 7: 1.48gAl Ga As E eV6

31.52 10 /sF V m 6

32.23 10 /txF V m

Mô phỏng

3: 1.42

12.5

gGaAs E eV

meV

0.048 0.952 9: 1.48

13.5

gAl Ga As E eV

meV

61.7 10 /sF V m 62.5 10 /txF V m

40

qFz

Hiệu ứng Franz-Keldysh

Lý thuyết mô phỏng phổ PR

Phổ hấp thu (phản xạ)Dịch chuyển về phía

năng lượng thấp

Phổ … không dịch chuyển

Do vậy, chúng tôi đề nghị khi mô phỏng cần thay: Eg thành Eg’

Eg’= Eg – qFz

Ý kiến đề nghị

41

Ý kiến đề nghị

6 1g s

9

E 1.344eV ,F 4 10 Vm

0meV ,z 10 m

0.7 sF

0.5 sF

0.2 sFR

R

E (eV)

qFz=0.0008 eV

qFz=0.002 eV

qFz=0.0028 eV

qFz=0.004 eV

Phổ PR của InP. Năng lượng vùng cấm phụ thuộc vào điện trường

1.0 sF

Eg’= Eg - qFz

6 1g sE 1.344eV ,F 4 10 Vm , 0meV

R

R

E (eV)

1.0 sF

0.7 sF

0.5 sF

0.2 sF

Phổ PR của InP. Năng lượng vùng cấm không phụ thuộc vào điện trường

42

THE END